泡沫鋁材料提升游艇耐撞性的數值分析★

趙 穎 楊兆瀚 石曉東

(1.東北林業大學土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040； 2.中國船舶重工集團有限公司第七0三研究所,黑龍江 哈爾濱 150040； 3.哈爾濱德嘉游艇科技開發有限公司,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，國民收入與消費水平逐漸提高，游艇消費作為休閑產業的高端市場，日益顯現出廣闊的發展前景。游艇在航行過程中與水下的礁石等障礙物發生碰撞屬于常見事故。游艇碰撞會造成人員傷亡、財產損失、自然環境遭受污染等災難性事故的發生[1]。游艇的抗撞擊性能是保障其安全航行的重要指標，單純依靠艇體結構自身強度很難滿足其抗撞擊能力。防止游艇碰撞事故發生的措施主要有兩種：主動措施和被動措施。主動措施目的是降低事故發生的概率，主要通過研制開發導航系統、培訓船員的操作技能以及對航運交通進行治理等方法。被動措施目的是降低事故發生后艇體結構的破損程度，主要通過對傳統結構形式進行優化設計和采用耐撞結構形式等方法[2]。本文采用有限元方法針對某小型游艇開展耐撞性能研究，將閉孔泡沫鋁作為一種耗能緩沖材料引入游艇防碰撞領域，通過在游艇易撞部位增設泡沫鋁防撞層的被動措施來增強艇體的抗撞擊性能，從而達到保護艇體的目的。

1 游艇有限元計算分析

1.1 建立游艇有限元模型

以某小型玻璃鋼結構游艇作為研究對象，采用三維建模軟件SOLIDWORKS建立游艇幾何模型，然后將幾何模型導入有限元分析軟件ABAQUS中，進行結構網格劃分，建立三維有限元計算模型，游艇整體有限元模型如圖1所示。游艇長度為6 m，模型共劃分為12 166個單元，包含6 621個節點。由于游艇結構的厚度遠小于主尺度，所以游艇有限元模型采用ABAQUS中的殼單元S3R來模擬?？紤]到計算效率以及收斂性的要求，建立有限元模型時對游艇上一些非主要構件進行了簡化處理。

1.2 玻璃鋼材料參數及破壞準則

游艇的建造材料為玻璃鋼，玻璃鋼材料具有各向異性的力學特點，在有限元建模軟件中合理有效地模擬玻璃鋼材料需要掌握各向異性材料的基本力學性能[3]。根據玻璃鋼平面應力假設推導出E1，E2，μ12，G12四個工程彈性常數作為玻璃鋼面板結構力學計算時的依據，如表1所示。E1，E2分別為材料在1，2主軸方向的彈性模量，μ12為泊松比，G12為1-2平面內的剪切彈性模量。

玻璃鋼板的破壞準則使用ABAQUS中自帶的HASHIN準則，HASHIN準則主要用來模擬復合材料的失效模式，該準則考慮了橫向應力、縱向應力與剪切應力之間的耦合效應。表2為玻璃鋼板強度。

表1 玻璃鋼板工程彈性常數

表2 玻璃鋼板強度

1.3 施加脈沖荷載

根據調查統計游艇的前下方部位與水中礁石等障礙物發生碰撞的頻率較高，因此選取游艇前下方一定區域面積作為加載區域，通過施加脈沖載荷模擬游艇與障礙物之間的碰撞過程。艇體施加脈沖荷載如圖2所示。加載區域面積為653 423 mm2，施加130 kN的脈沖力載荷，荷載作用時間為0.5 s，在0 s處荷載大小為0 kN，在0.25 s處荷載達到峰值130 kN，在0.5 s處荷載大小為0 kN。脈沖載荷曲線如圖3所示。

1.4 計算結果分析

圖4和圖5分別為施加脈沖載荷后艇體的應力云圖和變形云圖。從圖4和圖5中可以看出，在碰撞區域附近艇體的應力和變形較大，最大拉應力為70.04 MPa，最大壓應力為95.21 MPa，最大變形量12.94 mm。

2 游艇耐撞性研究

2.1 閉孔泡沫鋁材料吸能特性

閉孔泡沫鋁具有輕質、高比強度、耗能緩沖性能強等特點，是一種較好的抗沖擊防護材料。目前，閉孔泡沫鋁作為沖擊能量吸收材料，主要應用在汽車防沖檔、機械裝置的保護外殼、升降機的安全墊、飛機外殼夾層等方面[4]。本文將閉孔泡沫鋁作為一種耗能材料引入游艇防撞領域。圖6為閉孔泡沫鋁壓縮特性曲線。從圖6中可以看出，閉孔泡沫鋁的壓縮過程經歷三個階段：彈性階段、屈服平臺階段、致密階段。在屈服平臺階段，閉孔泡沫鋁材料的應力大小基本保持不變，應變值卻增長較快，較長的屈服平臺階段的出現也反映了閉孔泡沫鋁材料具有很好的吸能特性。

2.2 閉孔泡沫鋁材料本構模型及破壞準則

泡沫鋁密度ρ=540 kg/m3，彈性模量E=1 200 MPa。在沖擊荷載作用下，泡沫鋁的橫向幾乎不變形，因此彈性泊松比μ=0。泡沫鋁的塑性本構使用可壓縮泡沫(crushable foam)模型(該模型基于各項強化本構模型，即DF模型)，壓縮屈服應力比α設為1.732，塑性泊松比設為0。因泡沫鋁材料在沖擊時的塑性響應與單軸壓縮時的響應基本相同，故塑性強化部分輸入泡沫鋁材料在準靜態單軸壓縮實驗時的塑性硬化數據，如表3所示。

泡沫鋁材料在沖擊荷載作用下會發生破壞，彈塑性本構模型均不能模擬材料的損傷破壞過程，因此需要定義材料的破壞準則。泡沫鋁屬于多孔金屬材料，有限元分析軟件ABAQUS中提供了多種用于模擬金屬材料的損傷模型，如Johnson-Cook Damage,Shear Damage和Ductile Damage等損傷破壞準則。本文采用的是Ductile Damage損傷破壞準則來描述塑性金屬材料的延性斷裂，如表4所示。

2.3 安裝泡沫鋁防撞層游艇的數值分析

圖7為安裝泡沫鋁防撞層游艇的有限元模型。圖8～圖10分別為安裝不同厚度泡沫鋁防撞層游艇的應力云圖和變形云圖。表5為安裝不同厚度泡沫鋁防撞層游艇的應力和變形。從圖8～圖10和表5中可以看出，安裝泡沫鋁防撞層后艇體的應力和變形明顯減小，并且隨著泡沫鋁防撞層厚度的增加，艇體的應力和變形出現逐漸減小的趨勢。安裝10 mm,20 mm,30 mm厚度的泡沫鋁防撞層與未安裝防撞層相比較，艇體的最大拉應力分別減少了45%,55.68%,65.69%，最大壓應力分別減少了30.16%,48.68%,59.71%，最大變形分別減少了38.87%,62.67%,74.69%。由此可見，泡沫鋁防撞層能夠達到耗能緩沖和抵抗沖擊荷載的目的，有效地降低了艇體結構的受力和變形。

表3 泡沫鋁的塑性硬化參數

表4 泡沫鋁損傷參數

參數防撞層厚度10 mm防撞層厚度20 mm防撞層厚度30 mm最大拉應力/MPa38.5231.0424.03最大壓應力/MPa66.4948.8638.36最大變形/mm7.914.833.275

對表5中的數據進行回歸分析發現，最大拉應力σ拉、最大壓應力σ壓、最大變形U與泡沫鋁防撞層厚度H之間的關系可以分別擬合為關系式(1)～式(3)。根據式(1)～式(3)可以看出，游艇所受到的最大拉應力隨著泡沫鋁防撞層厚度的增加呈線性減小趨勢，游艇所受到的最大壓應力、最大變形隨著泡沫鋁防撞層厚度的增加呈對數關系減小趨勢。

σ拉=45.687-0.725H(相關系數R2=1.000)

(1)

σ壓=125.434-25.587lnH(相關系數R2=1.000)

(2)

U=17.643-4.243lnH(相關系數R2=0.999)

(3)

3 結語

將泡沫鋁作為一種耗能緩沖材料引入小型游艇防碰撞沖擊領域，建立了游艇整體有限元計算模型，并對游艇碰撞的動力響應進行計算分析，研究結果表明：安裝泡沫鋁防撞層可以有效地降低艇體結構的應力和變形，在一定程度上改善了游艇的抗撞擊性能，提高了游艇的安全性。